80 Gb/s 高速PAM4 調(diào)制850 nm 垂直腔面發(fā)射激光器

王延靖，佟存柱，*，欒曉倩，蔣 寧，佟海霞，汪麗杰，，田思聰，孟 博

（1. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 發(fā)光學及應用國家重點實驗室，吉林 長春 130033；2. 吉光半導體科技有限公司，吉林 長春 130031）

1 引 言

在過去的二十年中，850 nm 氧化物限制多模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在低成本、小體積、低功耗等方面充分表現(xiàn)出了其在短距離多模光纖數(shù)據(jù)通信應用中的優(yōu)勢[1-2]。其具備高可靠性和滿足不斷增長的數(shù)據(jù)速率需求的能力[3]。更高數(shù)據(jù)速率需求的主要驅(qū)動因素是數(shù)據(jù)和存儲中心以及超級計算。目前，市場仍由100 GSR4 收發(fā)器占據(jù)主導地位，使用4 個通道，每個通道25 Gb∕s。然而，200 G∕400 G 模塊自2021 年以來不斷增加，每通道25~28 Gbaud 4 電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）的VCSEL 已經(jīng)在批量生產(chǎn)。

預計即將到來的800 G 需求將于2023 年開始逐步增加[4]。隨著業(yè)界技術(shù)發(fā)展，將支持每個光信道100 Gb∕s 的下一代光鏈路，許多公司正在采用先進的調(diào)制技術(shù)，如多電平調(diào)制格式PAM4，這對VCSEL 的性能提出了更高的要求, 需要大帶寬、平坦的頻率響應、高線性、低相對強度噪聲（RIN）和窄光譜寬度等[5]。尤其是53 GBaud 的PAM4 信號，在相同的波特率和功率下比不歸零（NRZ）信號對幅度噪聲更敏感，需要重新評估噪聲源，如RIN、模式分割噪聲（MPN）和模式噪聲（MN）[6-8]。最近，幾個研究組報道了使用PAM4 調(diào)制實現(xiàn)高達100 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率的令人印象深刻的結(jié)果。2020 年，美國Broadcom 公司通過優(yōu)化弛豫振蕩頻率和RIN，最終實現(xiàn)了106 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率[9-11]。2022 年，Ⅱ-Ⅵ公司通過平坦化調(diào)制響應曲線和低至-150 dB∕Hz 的RIN，實現(xiàn)了PAM4 調(diào)制106 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率[12]。2020 年，住友電工通過優(yōu)化光限制因子和拓展調(diào)制帶寬，實現(xiàn)85 ℃時106 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率[13]。這些結(jié)果表明，開發(fā)能夠在53 GBaud（大于100 Gb∕s PAM4）下運行的850 nm VCSEL 將使新一代企業(yè)的存儲網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心的服務器到服務器和交換機到交換機連接以及高性能計算和機器學習應用網(wǎng)絡成為可能。

本文介紹了高速氧化限制型850 nm VCSEL的研究。相對于本課題組之前的研究成果[14-15]，我們采用了一種綜合的優(yōu)化設計方案，重點是通過優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)設計來實現(xiàn)更大的光限制因子和更高的微分增益，以實現(xiàn)帶寬拓展。我們通過對頂層DBR 進行優(yōu)化設計以及部分刻蝕來調(diào)控光子壽命，在實現(xiàn)較為平坦調(diào)制響應的同時，獲得了較小的RIN。

2 設計與制備

2.1 設計

對于超高速PAM4 調(diào)制，不僅需要具有高的3 dB 帶寬,而且需要平坦的頻率響應。VCSEL 的小信號調(diào)制由以下傳遞函數(shù)表示[16]：

其中fr表示弛豫振蕩頻率，fp表示寄生截止頻率，γ表示阻尼系數(shù)。弛豫振蕩頻率fr表示為：

其中ηi是內(nèi)部量子效率，Γ是光學限制因子，vg是群速度，La是量子阱的總厚度，?g∕?n是微分增益，χ是傳輸因子。阻尼系數(shù)γ表示為

其中τp是光子壽命。

對于實現(xiàn)非常高的f3dB，需要同時具有高的fr和fp，并且最佳的γ是必要的。我們通過降低接觸焊盤和半導體層的電容來實現(xiàn)增加fp。限制VCSELf3dB的另一重要因素是固有內(nèi)在因素，也即需要提高fr，fr表達式如公式（2）所示。在這項工作中，我們優(yōu)化了外延層設計，包括優(yōu)化InGaAs∕Al-GaAs 來提高微分增益（?g∕?n），設計更短的λ∕2 腔來提高光限制因子(Γ)。雖然在γ很小時即可以達到最大的f3dB（弱阻尼），然而有研究表明高速PAM4 調(diào)制需要更強的阻尼來獲得平坦的頻率響應[13]。因此，我們通過改變光子壽命來平衡高f3dB和足夠的阻尼。

2.2 制備

采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）生長850 nm VCSEL外延材料。底部DBR 主要由Al0.12GaAs∕AlAs 交疊制成，以降低熱阻抗。為了防止高鋁組分層被氧化，靠近有源區(qū)部分由3 對Al0.12GaAs∕Al0.9GaAs組成。頂部DBR均由Al0.12GaAs∕Al0.9GaAs制成。DBR 具有漸變界面和調(diào)制摻雜，以實現(xiàn)低電阻和內(nèi)部光學損耗。在有源區(qū)上方p-DBR 中放置多個氧化物孔，用于載流子限制與降低寄生電容。兩個濕法氧化后的Al0.98Ga0.02As 層用來限制橫向光場和電流。4 個Al0.96Ga0.04As 層用于減少氧化物孔徑寄生電容。我們使用半波長（λ∕2）厚的腔來實現(xiàn)高的縱向光學限制。在有源區(qū)，我們使用了應變InGaAs∕AlGaAs 多量子阱，高摻雜GaAs 被用作P 接觸層。為了實現(xiàn)光子壽命控制，我們通過優(yōu)化頂部DBR 層的數(shù)量和對GaAs 接觸層進行部分刻蝕來進行反射率的調(diào)控。對于器件制備，首先通過電感耦合等離子體（ICP）刻蝕方法制備了直徑為25 μm 的臺面，并使用激光干涉儀監(jiān)測刻蝕深度。在干法蝕刻之后，將樣品送至充滿H2O 蒸氣和N2載氣的氧化爐，以橫向氧化含高鋁組分的Al0.98GaAs 和Al0.96GaAs 層。氧化物的側(cè)視圖掃描電子顯微鏡（SEM）圖像層如圖1（c）所示。分 別 蒸 鍍 并 退 火p 型Ti∕Pt∕Au 和n 型Ni∕AuGe∕Ni∕Au 金 屬 接 觸 電 極。最 終 使 用 苯 并 環(huán) 丁烯（BCB）進行平坦化，以及地∕信號（GS）共面電極蒸鍍。圖1（a）所示為VCSEL 器件示意圖，圖1（b）顯示了VCSEL 顯微鏡圖。

圖1 850 nm VCSEL。 （a）器件示意圖；（b）俯視顯微鏡圖；（c）截面SEM 圖。Fig.1 850 nm VCSEL. （a）Device schematic diagram. （b）Overhead microscope view. （c）Cross section SEM image.

3 結(jié)果與討論

圖2 顯示了VCSEL 的典型光輸出功率-電流-電壓（L-I-V）特性。具有閾值電流0.69 mA，斜率效率0.75 W∕A，在7 mA 時的電壓為2.6 V，光功率為4.8 mW，微分電阻為91 Ω。如圖3 所示，在7 mA 下的光譜顯示了854.3 nm 的峰值波長，我們采用RMS 來定義光譜寬度，其表示為[17]:

圖2 L-I-V 曲線Fig.2 L-I-V curve

圖3 850 nm VCSEL 光譜Fig.3 The optical spectrum of the 850 nm VCSEL

其中λ0為平均波長，Pi和λi分別表示峰值至小于峰值20 dB 的激光光譜范圍內(nèi)第i個模式的峰值功率和波長。測得均方根光譜寬度為0.9 nm，大于數(shù)據(jù)傳輸100 m 距離所需光譜寬度（<0.6 nm）[10]，具有較大的譜寬是因為較大的氧化孔徑（~7 μm）導致的。這表明需要進一步提高VCSEL 輸出光譜性能，采用較小的氧化孔（~3 μm）、出光孔表面制備微結(jié)構(gòu)以及多孔干涉等都是較為有效的方法。

小信號測量使用67 GHz Keysight 網(wǎng)絡分析儀進行，頻率響應如圖4 所示，顯示出非常平坦的特性，3 dB 帶寬為24 GHz。如圖5 所示為測得的RIN 譜，RIN 值約為-155 dB∕Hz。已有一些研究表明，實現(xiàn)100 Gb∕s 高速VCSEL，相應的RIN 值需要小 于-150 dB∕Hz[5]。因 此 我 們 研 制 的VCSEL 具 有較小的RIN 值，支持高速850 nm VCSEL 實現(xiàn)100 Gb∕s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖4 調(diào)制帶寬曲線Fig.4 Modulation bandwidth curve

圖5 RIN 譜Fig.5 RIN spectrum

VCSEL 的大信號性能是在晶圓上使用GS射頻探針進行表征的。圖6 顯示了用于大信號調(diào)制的測量裝置。射頻調(diào)制信號和直流偏置電流通過偏置三通相結(jié)合來驅(qū)動VCSEL。采用SHF 碼型發(fā)生器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成PAM4 調(diào)制信號。從VCSEL 輸出的光耦合到多模光纖MMF。使用高速探測器與泰克示波器獲得和分析眼圖。在背靠背光纖傳輸測試中使用了多模OM5 光纖。

圖6 PAM4 大信號調(diào)制測量實驗裝置Fig.6 Experimental device for PAM4 large signal modulation measurement

圖7 顯示了VCSEL 在偏壓電流為7 mA 時，50，60，80 Gbit∕s PAM4 調(diào)制 的眼圖，未采用任何預加重與均衡技術(shù)，發(fā)射色散眼圖閉合代價（TDECQ）值分別為1.3，2.3，2.7 dB。所有條件下的消光比（ER）均大于2.5 dB。雖然使用53.125 GBd PAM4 的MMF 鏈路的TDECQ 要求尚未定義，但目前26.562 5 GBd PAM4 鏈路的上限目標值為小于4.5 dB[5]。所制備VCSEL 在速率高達80 Gb∕s 時，TDECQ 值小于4.5 dB，這表明其具有良好的TDECQ 值。然而，這距離100 Gb∕s 的數(shù)據(jù)傳輸速率還有一定的差距，需要進一步提高VCSEL 高速性能，以實現(xiàn)更高速率工作。

圖7 不同PAM4 調(diào)制速率下的眼圖。 （a）50 Gb∕s；（b）60 Gb∕s；（c）80 Gb∕s。Fig.7 Eye graph at different PAM4 modulation rates. （a）50 Gb∕s. （b）60 Gb∕s. （c）80 Gb∕s.

4 結(jié) 論

本文展示了一種可以不采用任何預加重和均衡技術(shù)實現(xiàn)80 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率的 PAM4調(diào)制 850 nm VCSEL。在7 mA 偏置電流下，對各項性能進行了測試，閾值電流0.69 mA, 功率4.8 mW, RMS 為0.9 nm, 3 dB 帶 寬24 GHz，且 具有 平 坦 的 頻 率 響 應，RIN 值-155 dB∕Hz，TDECQ值2.7 dB。這些測試結(jié)果表明，我們研制的850 nm 高速VCSEL 具有優(yōu)良的性能，雖然距離下 一 代100 Gb∕s 高 速VCSEL 還 有 一 定 差 距，但是我們相信經(jīng)過進一步的外延優(yōu)化設計，包括高微分增益量子阱設計和摻雜優(yōu)化等，將獲得更高的調(diào)制帶寬，最終將實現(xiàn)100 Gb∕s 數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，所研制的VCSEL 具有良好的應用潛力。

本文專家審稿意見及作者回復內(nèi)容的下載地址：http:∕∕cjl. lightpublishing. cn∕thesisDetails#10.37188∕CJL.20230170.